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C#综合揭秘——细说多线程(下)

程序员文章站 2022-05-20 18:38:03
...
引言

本文主要从线程的基础用法,CLR线程池当中工作者线程与I/O线程的开发,并行操作PLINQ等多个方面介绍多线程的开发。
其中委托的BeginInvoke方法以及回调函数最为常用。
而 I/O线程可能容易遭到大家的忽略,其实在开发多线程系统,更应该多留意I/O线程的操作。特别是在ASP.NET开发当中,可能更多人只会留意在客户端使用Ajax或者在服务器端使用UpdatePanel。其实合理使用I/O线程在通讯项目或文件下载时,能尽量降低IIS的压力。
并行编程是Framework4.0中极力推广的异步操作方式,更值得更深入地学习。
希望本篇文章能对各位的学习研究有所帮助,当中有所错漏的地方敬请点评。

五、CLR线程池的I/O线程

在前一节所介绍的线程都属于CLR线程池的工作者线程,这一节开始为大家介绍一下CLR线程池的I/O线程

I/O 线程是.NET专为访问外部资源所设置的一种线程,因为访问外部资源常常要受到外界因素的影响,为了防止让主线程受影响而长期处于阻塞状态,.NET为多个I/O操作都建立起了异步方法,例如:FileStream、TCP/IP、WebRequest、WebService等等,而且每个异步方法的使用方式都非常类似,都是以BeginXXX为开始,以EndXXX结束,下面为大家一一解说。

5.1 异步读写 FileStream

需要在 FileStream 异步调用 I/O线程,必须使用以下构造函数建立 FileStream 对象,并把useAsync设置为 true。

FileStream stream = new FileStream ( string path, FileMode mode, FileAccess access, FileShare share, int bufferSize,bool useAsync ) ;

其中 path 是文件的相对路径或绝对路径; mode 确定如何打开或创建文件; access 确定访问文件的方式; share 确定文件如何进程共享; bufferSize 是代表缓冲区大小,一般默认最小值为8,在启动异步读取或写入时,文件大小一般大于缓冲大小; userAsync代表是否启动异步I/O线程。

注意:当使用 BeginRead 和 BeginWrite 方法在执行大量读或写时效果更好,但对于少量的读/写,这些方法速度可能比同步读取还要慢,因为进行线程间的切换需要大量时间。

5.1.1 异步写入

FileStream中包含BeginWrite、EndWrite 方法可以启动I/O线程进行异步写入。

public override IAsyncResult BeginWrite ( byte[] array, int offset, int numBytes, AsyncCallback userCallback, Object stateObject )
public override void EndWrite (IAsyncResult asyncResult )

BeginWrite 返回值为IAsyncResult, 使用方式与委托的BeginInvoke方法相似,最好就是使用回调函数,避免线程阻塞。在最后两个参数中,参数AsyncCallback用于绑定回调函数; 参数Object用于传递外部数据。要注意一点:AsyncCallback所绑定的回调函数必须是带单个 IAsyncResult 参数的无返回值方法。
在例子中,把FileStream作为外部数据传递到回调函数当中,然后在回调函数中利用IAsyncResult.AsyncState获取FileStream对象,最后通过FileStream.EndWrite(IAsyncResult)结束写入。

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //把线程池的最大值设置为1000
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            ThreadPoolMessage("Start");

            //新立文件File.sour
            FileStream stream = new FileStream("File.sour", FileMode.OpenOrCreate, 
                                       FileAccess.ReadWrite,FileShare.ReadWrite,1024,true);
            byte[] bytes = new byte[16384];
            string message = "An operating-system ThreadId has no fixed relationship........";
            bytes = Encoding.Unicode.GetBytes(message);

            //启动异步写入
            stream.BeginWrite(bytes, 0, (int)bytes.Length,new AsyncCallback(Callback),stream);
            stream.Flush();
            
            Console.ReadKey();
        }

        static void Callback(IAsyncResult result)
        {
            //显示线程池现状
            Thread.Sleep(200);
            ThreadPoolMessage("AsyncCallback");
            //结束异步写入
            FileStream stream = (FileStream)result.AsyncState;
            stream.EndWrite(result);
            stream.Close();
        }

        //显示线程池现状
        static void ThreadPoolMessage(string data)
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            string message = string.Format("{0}\n  CurrentThreadId is {1}\n  "+
                  "WorkerThreads is:{2}  CompletionPortThreads is :{3}",
                  data, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, a.ToString(), b.ToString());
            Console.WriteLine(message);
        }
    }

由输出结果可以看到,在使用FileStream.BeginWrite方法后,系统将自动启动CLR线程池中I/O线程。

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5.1.2 异步读取

FileStream 中包含 BeginRead 与 EndRead 可以异步调用I/O线程进行读取。

public override IAsyncResult BeginRead ( byte[] array,int offset,int numBytes, AsyncCallback userCallback,Object stateObject)
public override int EndRead(IAsyncResult asyncResult)

其使用方式与BeginWrite和EndWrite相似,AsyncCallback用于绑定回调函数; Object用于传递外部数据。在回调函数只需要使用IAsyncResut.AsyncState就可获取外部数据。EndWrite 方法会返回从流读取到的字节数量。

首先定义 FileData 类,里面包含FileStream对象,byte[] 数组和长度。然后把FileData对象作为外部数据传到回调函数,在回调函数中,把IAsyncResult.AsyncState强制转换为FileData,然后通过FileStream.EndRead(IAsyncResult)结束读取。最后比较一下长度,若读取到的长度与输入的数据长度不一至,则抛出异常。

class Program
     {
         public class FileData
         {
             public FileStream Stream;
             public int Length;
             public byte[] ByteData;
         }
 
         static void Main(string[] args)
         {       
             //把线程池的最大值设置为1000
             ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
             ThreadPoolMessage("Start");
             ReadFile();
 
             Console.ReadKey();
         }
 
         static void ReadFile()
         {
             byte[] byteData=new byte[80961024];
             FileStream stream = new FileStream("File1.sour", FileMode.OpenOrCreate, 
                                     FileAccess.ReadWrite, FileShare.ReadWrite, 1024, true);
             
             //把FileStream对象,byte[]对象,长度等有关数据绑定到FileData对象中,以附带属性方式送到回调函数
             FileData fileData = new FileData();
             fileData.Stream = stream;
             fileData.Length = (int)stream.Length;
             fileData.ByteData = byteData;
             
             //启动异步读取
             stream.BeginRead(byteData, 0, fileData.Length, new AsyncCallback(Completed), fileData);
         }
  
         static void Completed(IAsyncResult result)
         {
             ThreadPoolMessage("Completed");
 
             //把AsyncResult.AsyncState转换为FileData对象,以FileStream.EndRead完成异步读取
             FileData fileData = (FileData)result.AsyncState;
             int length=fileData.Stream.EndRead(result);
             fileData.Stream.Close();
 
             //如果读取到的长度与输入长度不一致,则抛出异常
             if (length != fileData.Length)
                 throw new Exception("Stream is not complete!");
 
             string data=Encoding.ASCII.GetString(fileData.ByteData, 0, fileData.Length);
             Console.WriteLine(data.Substring(2,22));
         }
 
         //显示线程池现状
         static void ThreadPoolMessage(string data)
         {
             int a, b;
             ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
             string message = string.Format("{0}\n  CurrentThreadId is {1}\n  "+
                          "WorkerThreads is:{2}  CompletionPortThreads is :{3}",
                          data, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, a.ToString(), b.ToString());
             Console.WriteLine(message);      
         }
             
   }

由输出结果可以看到,在使用FileStream.BeginRead方法后,系统将自动启动CLR线程池中I/O线程。

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注意:如果你看到的测试结果正好相反:工作者线程为999,I/O线程为1000,这是因为FileStream的文件容量小于缓冲值1024所致的。此时文件将会一次性读取或写入,而系统将启动工作者线程而非I/O线程来处理回调函数。

5.2 异步操作TCP/IP套接字

在介绍 TCP/IP 套接字前先简单介绍一下 NetworkStream 类,它是用于网络访问的基础数据流。 NetworkStream 提供了好几个方法控制套接字数据的发送与接收, 其中BeginRead、EndRead、BeginWrite、EndWrite 能够实现异步操作,而且异步线程是来自于CLR线程池的I/O线程。

public override int ReadByte ()
public override int Read (byte[] buffer,int offset, int size)

public override void WriteByte (byte value)
public override void Write (byte[] buffer,int offset, int size)

public override IAsyncResult BeginRead (byte [] buffer, int offset, int size, AsyncCallback callback, Object state )
public override int EndRead(IAsyncResult result)

public override IAsyncResult BeginWrite (byte [] buffer, int offset, int size, AsyncCallback callback, Object state )
public override void EndWrite(IAsyncResult result)

若要创建 NetworkStream,必须提供已连接的 Socket。而在.NET中使用TCP/IP套接字不需要直接与Socket打交道,因为.NET把Socket的大部分操作都放在System.Net.TcpListener和System.Net.Sockets.TcpClient里面,这两个类大大地简化了Socket的操作。一般套接字对象Socket包含一个Accept()方法,此方法能产生阻塞来等待客户端的请求,而在TcpListener类里也包含了一个相似的方法 public TcpClient AcceptTcpClient()用于等待客户端的请求。此方法将会返回一个TcpClient 对象,通过 TcpClient 的 public NetworkStream GetStream()方法就能获取NetworkStream对象,控制套接字数据的发送与接收。

下面以一个例子说明异步调用TCP/IP套接字收发数据的过程。

首先在服务器端建立默认地址127.0.0.1用于收发信息,使用此地址与端口500新建TcpListener对象,调用TcpListener.Start 侦听传入的连接请求,再使用一个死循环来监听信息。

在ChatClient类包括有接收信息与发送信息两个功能:当接收到客户端请求时,它会利用 NetworkStream.BeginRead 读取客户端信息,并在回调函数ReceiveAsyncCallback中输出信息内容,若接收到的信息的大小小于1时,它将会抛出一个异常。当信息成功接收后,再使用 NetworkStream.BeginWrite 方法回馈信息到客户端

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //设置CLR线程池最大线程数
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
   
            //默认地址为127.0.0.1
            IPAddress ipAddress = IPAddress.Parse("127.0.0.1");
            TcpListener tcpListener = new TcpListener(ipAddress, 500);
            tcpListener.Start();
            
            //以一个死循环来实现监听
            while (true)
            {   //调用一个ChatClient对象来实现监听
                ChatClient chatClient = new ChatClient(tcpListener.AcceptTcpClient());    
            }
        }
    }

    public class ChatClient
    {
        static TcpClient tcpClient;
        static byte[] byteMessage;
        static string clientEndPoint;

        public ChatClient(TcpClient tcpClient1)
        {
            tcpClient = tcpClient1;
            byteMessage = new byte[tcpClient.ReceiveBufferSize];
           
            //显示客户端信息
            clientEndPoint = tcpClient.Client.RemoteEndPoint.ToString();
            Console.WriteLine("Client's endpoint is " + clientEndPoint);
            
            //使用NetworkStream.BeginRead异步读取信息
            NetworkStream networkStream = tcpClient.GetStream();
            networkStream.BeginRead(byteMessage, 0, tcpClient.ReceiveBufferSize,
                                         new AsyncCallback(ReceiveAsyncCallback), null);
        }

        public void ReceiveAsyncCallback(IAsyncResult iAsyncResult)
        {
            //显示CLR线程池状态
            Thread.Sleep(100);
            ThreadPoolMessage("\nMessage is receiving");

            //使用NetworkStream.EndRead结束异步读取
            NetworkStream networkStreamRead = tcpClient.GetStream();
            int length=networkStreamRead.EndRead(iAsyncResult);

            //如果接收到的数据长度少于1则抛出异常
            if (length < 1)
            {
                tcpClient.GetStream().Close();
                throw new Exception("Disconnection!");
            }

            //显示接收信息
            string message = Encoding.UTF8.GetString(byteMessage, 0, length);
            Console.WriteLine("Message:" + message);

            //使用NetworkStream.BeginWrite异步发送信息
            byte[] sendMessage = Encoding.UTF8.GetBytes("Message is received!");
            NetworkStream networkStreamWrite=tcpClient.GetStream();
            networkStreamWrite.BeginWrite(sendMessage, 0, sendMessage.Length, 
                                            new AsyncCallback(SendAsyncCallback), null);
        }

        //把信息转换成二进制数据,然后发送到客户端
        public void SendAsyncCallback(IAsyncResult iAsyncResult)
        {
            //显示CLR线程池状态
            Thread.Sleep(100);
            ThreadPoolMessage("\nMessage is sending");

            //使用NetworkStream.EndWrite结束异步发送
            tcpClient.GetStream().EndWrite(iAsyncResult);

            //重新监听
            tcpClient.GetStream().BeginRead(byteMessage, 0, tcpClient.ReceiveBufferSize,
                                               new AsyncCallback(ReceiveAsyncCallback), null);
        }

        //显示线程池现状
        static void ThreadPoolMessage(string data)
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            string message = string.Format("{0}\n  CurrentThreadId is {1}\n  " +
                  "WorkerThreads is:{2}  CompletionPortThreads is :{3}\n",
                  data, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, a.ToString(), b.ToString());

            Console.WriteLine(message);
        }
    }

而在客户端只是使用简单的开发方式,利用TcpClient连接到服务器端,然后调用NetworkStream.Write方法发送信息,最后调用NetworkStream.Read方法读取回馈信息

static void Main(string[] args)
        {
            //连接服务端
            TcpClient tcpClient = new TcpClient("127.0.0.1", 500);

            //发送信息
            NetworkStream networkStream = tcpClient.GetStream();
            byte[] sendMessage = Encoding.UTF8.GetBytes("Client request connection!");
            networkStream.Write(sendMessage, 0, sendMessage.Length);
            networkStream.Flush();

            //接收信息
            byte[] receiveMessage=new byte[1024];
            int count=networkStream.Read(receiveMessage, 0,1024);
            Console.WriteLine(Encoding.UTF8.GetString(receiveMessage));
            Console.ReadKey();
        }

注意观察运行结果,服务器端的异步操作线程都是来自于CLR线程池的I/O线程

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5.3 异步WebRequest

System.Net.WebRequest 是 .NET 为实现访问 Internet 的 “请求/响应模型” 而开发的一个 abstract 基类, 它主要有三个子类:FtpWebRequest、HttpWebRequest、FileWebRequest。当使用WebRequest.Create(string uri)创建对象时,应用程序就可以根据请求协议判断实现类来进行操作。FileWebRequest、FtpWebRequest、HttpWebRequest 各有其作用:FileWebRequest 使用 “file://路径” 的URI方式实现对本地资源和内部文件的请求/响应、FtpWebRequest 使用FTP文件传输协议实现文件请求/响应、HttpWebRequest 用于处理HTTP的页面请求/响应。由于使用方法相类似,下面就以常用的HttpWebRequest为例子介绍一下异步WebRequest的使用方法。

在使用ASP.NET开发网站的时候,往往会忽略了HttpWebRequest的使用,因为开发都假设客户端是使用浏览器等工具去阅读页面的。但如果你对REST开发方式有所了解,那对 HttpWebRequest 就应该非常熟悉。它可以在路径参数、头文件、页面主体、Cookie 等多处地方加入请求条件,然后对回复数据进行适当处理。HttpWebRequest 包含有以下几个常用方法用于处理请求/响应:

public override Stream GetRequestStream ()
public override WebResponse GetResponse ()

public override IAsyncResult BeginGetRequestStream ( AsyncCallback callback, Object state )
public override Stream EndGetRequestStream ( IAsyncResult asyncResult )
public override IAsyncResult BeginGetResponse ( AsyncCallback callback, Object state )
public override WebResponse EndGetResponse ( IAsyncResult asyncResult )

其中BeginGetRequestStream、EndGetRequestStream 用于异步向HttpWebRequest对象写入请求信息; BeginGetResponse、EndGetResponse 用于异步发送页面请求并获取返回信息。使用异步方式操作Internet的“请求/响应”,避免主线程长期处于等待状态,而操作期间异步线程是来自CLR线程池的I/O线程。

注意:请求与响应不能使用同步与异步混合开发模式,即当请求写入使用GetRequestStream同步模式,即使响应使用BeginGetResponse异步方法,操作也与GetRequestStream方法在于同一线程内。

下面以简单的例子介绍一下异步请求的用法。

首先为Person类加上可序列化特性,在服务器端建立Hanlder.ashx,通过Request.InputStream 获取到请求数据并把数据转化为String对象,此实例中数据是以 “Id:1” 的形式实现传送的。然后根据Id查找对应的Person对象,并把Person对象写入Response.OutStream 中返还到客户端。

在客户端先把 HttpWebRequird.Method 设置为 "post",使用异步方式通过BeginGetRequireStream获取请求数据流,然后写入请求数据 “Id:1”。再使用异步方法BeginGetResponse 获取回复数据,最后把数据反序列化为Person对象显示出来。

注意:HttpWebRequire.Method默认为get,在写入请求前必须把HttpWebRequire.Method设置为post,否则在使用BeginGetRequireStream 获取请求数据流的时候,系统就会发出 “无法发送具有此谓词类型的内容正文" 的异常。

Model

namespace Model
{
    [Serializable]
    public class Person
    {
        public int ID
        {
            get;
            set;
        }
        public string Name
        {
            get;
            set;
        }
        public int Age
        {
            get;
            set;
        }
    }
}

服务器端

public class Handler : IHttpHandler {

    public void ProcessRequest(HttpContext context)
    {
        //把信息转换为String,找出输入条件Id
        byte[] bytes=new byte[1024];
        int length=context.Request.InputStream.Read(bytes,0,1024);
        string condition = Encoding.Default.GetString(bytes);
        int id = int.Parse(condition.Split(new string[] { ":" }, 
                           StringSplitOptions.RemoveEmptyEntries)[1]);
        
        //根据Id查找对应Person对象
        var person = GetPersonList().Where(x => x.ID == id).First();
        
        //所Person格式化为二进制数据写入OutputStream
        BinaryFormatter formatter = new BinaryFormatter();
        formatter.Serialize(context.Response.OutputStream, person);
    }

    //模拟源数据
    private IList<Person> GetPersonList()
    {
        var personList = new List<Person>();
        
        var person1 = new Person();
        person1.ID = 1;
        person1.Name = "Leslie";
        person1.Age = 30;
        personList.Add(person1);
        ...........
        return personList;
    }

    public bool IsReusable
    {
        get { return true;}
    }
}

客户端

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            Request();
            Console.ReadKey();
        }

        static void Request()
        {
            ThreadPoolMessage("Start"); 
            //使用WebRequest.Create方法建立HttpWebRequest对象
            HttpWebRequest webRequest = (HttpWebRequest)WebRequest.Create(
                                            "http://localhost:5700/Handler.ashx");
            webRequest.Method = "post";
           
            //对写入数据的RequestStream对象进行异步请求
            IAsyncResult result=webRequest.BeginGetRequestStream(
                new AsyncCallback(EndGetRequestStream),webRequest);
        }

        static void EndGetRequestStream(IAsyncResult result)
        {
            ThreadPoolMessage("RequestStream Complete");
            //获取RequestStream
            HttpWebRequest webRequest = (HttpWebRequest)result.AsyncState;
            Stream stream=webRequest.EndGetRequestStream(result);

            //写入请求条件
            byte[] condition = Encoding.Default.GetBytes("Id:1");
            stream.Write(condition, 0, condition.Length);

            //异步接收回传信息
            IAsyncResult responseResult = webRequest.BeginGetResponse(
                new AsyncCallback(EndGetResponse), webRequest);
        }

        static void EndGetResponse(IAsyncResult result)
        {
            //显出线程池现状
            ThreadPoolMessage("GetResponse Complete");

            //结束异步请求,获取结果
            HttpWebRequest webRequest = (HttpWebRequest)result.AsyncState;
            WebResponse webResponse = webRequest.EndGetResponse(result);
            
            //把输出结果转化为Person对象
            Stream stream = webResponse.GetResponseStream();
            BinaryFormatter formatter = new BinaryFormatter();
            var person=(Person)formatter.Deserialize(stream);
            Console.WriteLine(string.Format("Person    Id:{0} Name:{1} Age:{2}",
                person.ID, person.Name, person.Age));
        }

        //显示线程池现状
        static void ThreadPoolMessage(string data)
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            string message = string.Format("{0}\n  CurrentThreadId is {1}\n  " +
                  "WorkerThreads is:{2}  CompletionPortThreads is :{3}\n",
                  data, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, a.ToString(), b.ToString());

            Console.WriteLine(message);
        }
    }

从运行结果可以看到,BeginGetRequireStream、BeginGetResponse方法是使用CLR线程池的I/O线程。

C#综合揭秘——细说多线程(下)

5.4 异步调用WebService

相比TCP/IP套接字,在使用WebService的时候,服务器端需要更复杂的操作处理,使用时间往往会更长。为了避免客户端长期处于等待状态,在配置服务引用时选择 “生成异步操作”,系统可以自动建立异步调用的方式。

以.NET 2.0以前,系统都是使用ASMX来设计WebService,而近年来WCF可说是火热登场,下面就以WCF为例子简单介绍一下异步调用WebService的例子。

由于系统可以自动生成异步方法,使用起来非常简单,首先在服务器端建立服务ExampleService,里面包含方法Method。客户端引用此服务时,选择 “生成异步操作”。然后使用 BeginMethod 启动异步方法, 在回调函数中调用EndMethod结束异步调用。

服务端

[ServiceContract]
     public interface IExampleService
     {
         [OperationContract]
         string Method(string name);
     }
 
     public class ExampleService : IExampleService
     {
         public string Method(string name)
         {
             return "Hello " + name;
         }
     }
 
     class Program
     {
         static void Main(string[] args)
         {
             ServiceHost host = new ServiceHost(typeof(ExampleService));
             host.Open();
             Console.ReadKey();
             host.Close();
          }
     }
 
 <configuration>
     <system.serviceModel>
         <services>
             <service name="Example.ExampleService">
                 <endpoint address="" binding="wsHttpBinding" contract="Example.IExampleService">
                     <identity>
                         <dns value="localhost" />
                     </identity>
                 </endpoint>
                 <endpoint address="mex" binding="mexHttpBinding" contract="IMetadataExchange" />
                 <host>
                     <baseAddresses>
                         <add baseAddress="http://localhost:7200/Example/ExampleService/" />
                     </baseAddresses>
                 </host>
             </service>
         </services>
     </system.serviceModel>
 </configuration>

客户端

class Program
     {
         static void Main(string[] args)
         {
             //设置最大线程数
             ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
             ThreadPoolMessage("Start");
             
             //建立服务对象,异步调用服务方法
             ExampleServiceReference.ExampleServiceClient exampleService = new
                                     ExampleServiceReference.ExampleServiceClient();
             exampleService.BeginMethod("Leslie",new AsyncCallback(AsyncCallbackMethod), 
                                         exampleService);  
             Console.ReadKey();
         }
 
         static void AsyncCallbackMethod(IAsyncResult result)
         {
             Thread.Sleep(1000);
             ThreadPoolMessage("Complete");
             ExampleServiceReference.ExampleServiceClient example =
                 (ExampleServiceReference.ExampleServiceClient)result.AsyncState;
             string data=example.EndMethod(result);
             Console.WriteLine(data);
         }
 
         //显示线程池现状
         static void ThreadPoolMessage(string data)
         {
             int a, b;
             ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
             string message = string.Format("{0}\n  CurrentThreadId is {1}\n  " +
                   "WorkerThreads is:{2}  CompletionPortThreads is :{3}\n",
                   data, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, a.ToString(), b.ToString());
 
             Console.WriteLine(message);
         }
     }
 
 <configuration>
     <system.serviceModel>
         <bindings>
             <wsHttpBinding>
                 <binding name="WSHttpBinding_IExampleService" closeTimeout="00:01:00"
                     openTimeout="00:01:00" receiveTimeout="00:10:00" sendTimeout="00:01:00"
                     bypassProxyOnLocal="false" transactionFlow="false" 
                     hostNameComparisonMode="StrongWildcard" maxBufferPoolSize="524288"
                     maxReceivedMessageSize="65536" messageEncoding="Text" textEncoding="utf-8"
                     useDefaultWebProxy="true" allowCookies="false">
                     <readerQuotas maxDepth="32" maxStringContentLength="8192" maxArrayLength="16384"
                         maxBytesPerRead="4096" maxNameTableCharCount="16384" />
                     <reliableSession ordered="true" inactivityTimeout="00:10:00" enabled="false" />
                     <security mode="Message">
                         <transport clientCredentialType="Windows" proxyCredentialType="None"
                           realm="" />
                         <message clientCredentialType="Windows" negotiateServiceCredential="true"
                             algorithmSuite="Default" />
                     </security>
                 </binding>
             </wsHttpBinding>
         </bindings>
         <client>
             <endpoint address="http://localhost:7200/Example/ExampleService/"
                 binding="wsHttpBinding" bindingConfiguration="WSHttpBinding_IExampleService"
                 contract="ExampleServiceReference.IExampleService" 
                 name="WSHttpBinding_IExampleService">
                 <identity>
                     <dns value="localhost" />
                 </identity>
             </endpoint>
         </client>
     </system.serviceModel>
 </configuration>

注意观察运行结果,异步调用服务时,回调函数都是运行于CLR线程池的I/O线程当中。

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六、异步 SqlCommand

从ADO.NET 2.0开始,SqlCommand就新增了几个异步方法执行SQL命令。相对于同步执行方式,它使主线程不需要等待数据库的返回结果,在使用复杂性查询或批量插入时将有效提高主线程的效率。使用异步SqlCommand的时候,请注意把ConnectionString 的 Asynchronous Processing 设置为 true 。

注意:SqlCommand异步操作的特别之处在于线程并不依赖于CLR线程池,而是由Windows内部提供,这比使用异步委托更有效率。但如果需要使用回调函数的时候,回调函数的线程依然是来自于CLR线程池的工作者线程。

SqlCommand有以下几个方法支持异步操作:

public IAsyncResult BeginExecuteNonQuery (......)
public int EndExecuteNonQuery(IAsyncResult)

public IAsyncResult BeginExecuteReader(......)
public SqlDataReader EndExecuteReader(IAsyncResult)

public IAsyncResult BeginExecuteXmlReader (......)
public XmlReader EndExecuteXmlReader(IAsyncResult)

由于使用方式相似,此处就以 BeginExecuteNonQuery 为例子,介绍一下异步SqlCommand的使用。首先建立connectionString,注意把Asynchronous Processing设置为true来启动异步命令,然后把SqlCommand.CommandText设置为 WAITFOR DELAY "0:0:3" 来虚拟数据库操作。再通过BeginExecuteNonQuery启动异步操作,利用轮询方式监测操作情况。最后在操作完成后使用EndExecuteNonQuery完成异步操作。

class Program
    {
        //把Asynchronous Processing设置为true
        static string connectionString = "Data Source=LESLIE-PC;Initial Catalog=Business;“+
                                         "Integrated Security=True;Asynchronous Processing=true";

        static void Main(string[] args)
        {
            //把CLR线程池最大线程数设置为1000
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            ThreadPoolMessage("Start");

            //使用WAITFOR DELAY命令来虚拟操作
            SqlConnection connection = new SqlConnection(connectionString);
            SqlCommand command = new SqlCommand("WAITFOR DELAY '0:0:3';", connection);
            connection.Open();

            //启动异步SqlCommand操作,利用轮询方式监测操作
            IAsyncResult result = command.BeginExecuteNonQuery();
            ThreadPoolMessage("BeginRead");
            while (!result.AsyncWaitHandle.WaitOne(500))
                Console.WriteLine("Main thread do work........");

            //结束异步SqlCommand
            int count= command.EndExecuteNonQuery(result);
            ThreadPoolMessage("\nCompleted");
            Console.ReadKey();
        }

        //显示线程池现状
        static void ThreadPoolMessage(string data)
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            string message = string.Format("{0}\n  CurrentThreadId is {1}\n  "+
                   "WorkerThreads is:{2}  CompletionPortThreads is :{3}\n",
                   data, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, a.ToString(), b.ToString());
            Console.WriteLine(message);
        }
    }

注意运行结果,SqlCommand的异步执行线程并不属于CLR线程池。

C#综合揭秘——细说多线程(下)

如果觉得使用轮询方式过于麻烦,可以使用回调函数,但要注意当调用回调函数时,线程是来自于CLR线程池的工作者线程。

class Program
    {
        //把Asynchronous Processing设置为true
        static string connectionString = "Data Source=LESLIE-PC;Initial Catalog=Business;”+
                                         “Integrated Security=True;Asynchronous Processing=true";
        static void Main(string[] args)
        {
            //把CLR线程池最大线程数设置为1000
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            ThreadPoolMessage("Start");

            //使用WAITFOR DELAY命令来虚拟操作
            SqlConnection connection = new SqlConnection(connectionString);
            SqlCommand command = new SqlCommand("WAITFOR DELAY '0:0:3';", connection);
            connection.Open();
            
            //启动异步SqlCommand操作,并把SqlCommand对象传递到回调函数
            IAsyncResult result = command.BeginExecuteNonQuery(
                                       new AsyncCallback(AsyncCallbackMethod),command);
            Console.ReadKey();
        }

        static void AsyncCallbackMethod(IAsyncResult result)
        {
            Thread.Sleep(200);
            ThreadPoolMessage("AsyncCallback");
            SqlCommand command = (SqlCommand)result.AsyncState;
            int count=command.EndExecuteNonQuery(result);
            command.Connection.Close();
        }

        //显示线程池现状
        static void ThreadPoolMessage(string data)
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            string message = string.Format("{0}\n  CurrentThreadId is {1}\n  "+
                  "WorkerThreads is:{2}  CompletionPortThreads is :{3}\n",
                  data, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, a.ToString(), b.ToString());

            Console.WriteLine(message);
        }
    }

运行结果:

C#综合揭秘——细说多线程(下)

七、并行编程与PLINQ

要使用多线程开发,必须非常熟悉Thread的使用,而且在开发过程中可能会面对很多未知的问题。为了简化开发,.NET 4.0 特别提供一个并行编程库System.Threading.Tasks,它可以简化并行开发,你无需直接跟线程或线程池打交道,就可以简单建立多线程应用程序。此外,.NET还提供了新的一组扩展方法PLINQ,它具有自动分析查询功能,如果并行查询能提高系统效率,则同时运行,如果查询未能从并行查询中受益,则按原顺序查询。下面将详细介绍并行操作的方式。

7.1 泛型委托

使用并行编程可以同时操作多个委托,在介绍并行编程前先简单介绍一下两个泛型委托System.Func<>与System.Action<>。

Func<>是一个能接受多个参数和一个返回值的泛型委托,它能接受0个到16个输入参数, 其中 T1,T2,T3,T4......T16 代表自定的输入类型,TResult为自定义的返回值。
public delegate TResult Func<TResult>()
public delegate TResult Func<T1,TResult>(T1 arg1)
public delegate TResult Func<T1,T2, TResult>(T1 arg1,T2 arg2)
public delegate TResult Func<T1,T2, T3, TResult>(T1 arg1,T2 arg2,T3 arg3)
public delegate TResult Func<T1,T2, T3, ,T4, TResult>(T1 arg1,T2 arg2,T3 arg3,T4 arg4)
..............
public delegate TResult Func<T1,T2, T3, ,T4, ...... ,T16,TResult>(T1 arg1,T2 arg2,T3 arg3,T4 arg4,...... ,T16 arg16)

Action<>与Func<>十分相似,不同在于Action<>的返回值为void,Action能接受0~16个参数
public delegate void Action<T1>()
public delegate void Action<T1,T2>(T1 arg1,T2 arg2)
public delegate void Action<T1,T2, T3>(T1 arg1,T2 arg2, T3 arg3)
.............
public delegate void Action<T1,T2, T3, ,T4, ...... ,T16>(T1 arg1,T2 arg2,T3 arg3,T4 arg4,...... ,T16 arg16)

7.2 任务并行库(TPL)

System.Threading.Tasks中的类被统称为任务并行库(Task Parallel Library,TPL),TPL使用CLR线程池把工作分配到CPU,并能自动处理工作分区、线程调度、取消支持、状态管理以及其他低级别的细节操作,极大地简化了多线程的开发。

注意:TPL比Thread更具智能性,当它判断任务集并没有从并行运行中受益,就会选择按顺序运行。但并非所有的项目都适合使用并行开发,创建过多并行任务可能会损害程序的性能,降低运行效率。

TPL包括常用的数据并行与任务并行两种执行方式:

7.2.1 数据并行

数据并行的核心类就是System.Threading.Tasks.Parallel,它包含两个静态方法 Parallel.For 与 Parallel.ForEach, 使用方式与for、foreach相仿。通过这两个方法可以并行处理System.Func<>、System.Action<>委托。

以下一个例子就是利用 public static ParallelLoopResult For( int from, int max, Action<int>) 方法对List<Person>进行并行查询。
假设使用单线程方式查询3个Person对象,需要用时大约6秒,在使用并行方式,只需使用2秒就能完成查询,而且能够避开Thread的繁琐处理。

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //设置最大线程数
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            //并行查询
            Parallel.For(0, 3,n =>
                {
                    Thread.Sleep(2000);  //模拟查询
                    ThreadPoolMessage(GetPersonList()[n]);
                });
            Console.ReadKey();
        }

        //模拟源数据
        static IList<Person> GetPersonList()
        {
            var personList = new List<Person>();

            var person1 = new Person();
            person1.ID = 1;
            person1.Name = "Leslie";
            person1.Age = 30;
            personList.Add(person1);
            ...........
            return personList;
        }

        //显示线程池现状
        static void ThreadPoolMessage(Person person)
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            string message = string.Format("Person  ID:{0} Name:{1} Age:{2}\n" +
                  "  CurrentThreadId is {3}\n  WorkerThreads is:{4}" +
                  "  CompletionPortThreads is :{5}\n",
                  person.ID, person.Name, person.Age,
                  Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, a.ToString(), b.ToString());

            Console.WriteLine(message);
        }
    }

观察运行结果,对象并非按照原排列顺序进行查询,而是使用并行方式查询。

C#综合揭秘——细说多线程(下)

若想停止操作,可以利用ParallelLoopState参数,下面以ForEach作为例子。
public static ParallelLoopResult ForEach<TSource>( IEnumerable<TSource> source, Action<TSource, ParallelLoopState> action)
其中source为数据集,在Action<TSource,ParallelLoopState>委托的ParallelLoopState参数当中包含有Break()和 Stop()两个方法都可以使迭代停止。Break的使用跟传统for里面的使用方式相似,但因为处于并行处理当中,使用Break并不能保证所有运行能立即停止,在当前迭代之前的迭代会继续执行。若想立即停止操作,可以使用Stop方法,它能保证立即终止所有的操作,无论它们是处于当前迭代的之前还是之后。

class Program
    {
         static void Main(string[] args)
         {
             //设置最大线程数
             ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
 
             //并行查询
             Parallel.ForEach(GetPersonList(), (person, state) =>
                 {
                     if (person.ID == 2)
                         state.Stop();
                     ThreadPoolMessage(person);
                 });
             Console.ReadKey();
         }
 
         //模拟源数据
         static IList<Person> GetPersonList()
         {
             var personList = new List<Person>();
 
             var person1 = new Person();
             person1.ID = 1;
             person1.Name = "Leslie";
             person1.Age = 30;
             personList.Add(person1);
             ..........
             return personList;
         }
 
         //显示线程池现状
         static void ThreadPoolMessage(Person person)
         {
             int a, b;
             ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
             string message = string.Format("Person  ID:{0} Name:{1} Age:{2}\n" +
                   "  CurrentThreadId is {3}\n  WorkerThreads is:{4}" +
                   "  CompletionPortThreads is :{5}\n",
                   person.ID, person.Name, person.Age,
                   Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, a.ToString(), b.ToString());
 
             Console.WriteLine(message);
         }
     }

观察运行结果,当Person的ID等于2时,运行将会停止。

C#综合揭秘——细说多线程(下)

当要在多个线程中调用本地变量,可以使用以下方法:
public static ParallelLoopResult ForEach<TSource, TLocal>(IEnumerable<Of TSource>, Func<Of TLocal>, Func<Of TSource,ParallelLoopState,TLocal,TLocal>, Action<Of TLocal>)
其中第一个参数为数据集;
第二个参数是一个Func委托,用于在每个线程执行前进行初始化;
第 三个参数是委托Func<Of T1,T2,T3,TResult>,它能对数据集的每个成员进行迭代,当中T1是数据集的成员,T2是一个ParallelLoopState对 象,它可以控制迭代的状态,T3是线程中的本地变量;
第四个参数是一个Action委托,用于对每个线程的最终状态进行最终操作。

在以下例子中,使用ForEach计算多个Order的总体价格。在ForEach方法中,首先把参数初始化为0f,然后用把同一个Order的多个OrderItem价格进行累加,计算出Order的价格,最后把多个Order的价格进行累加,计算出多个Order的总体价格。

public class Order
    {
        public int ID;
        public float Price;
    }

    public class OrderItem
    {
        public int ID;
        public string Goods;
        public int OrderID;
        public float Price;
        public int Count;
    }

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //设置最大线程数
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            float totalPrice = 0f;
            //并行查询
            var parallelResult = Parallel.ForEach(GetOrderList(),
                     () => 0f,   //把参数初始值设为0
                     (order, state, orderPrice) =>
                     {
                         //计算单个Order的价格
                         orderPrice = GetOrderItem().Where(item => item.OrderID == order.ID)
                              .Sum(item => item.Price * item.Count);
                         order.Price = orderPrice;
                         ThreadPoolMessage(order);
                         
                         return orderPrice;
                     },
                    (finallyPrice) =>
                    {
                        totalPrice += finallyPrice;//计算多个Order的总体价格
                    }
                );
            
            while (!parallelResult.IsCompleted)
                Console.WriteLine("Doing Work!");

            Console.WriteLine("Total Price is:" + totalPrice);
            Console.ReadKey();
        }
        //虚拟数据
        static IList<Order> GetOrderList()
        {
            IList<Order> orderList = new List<Order>();
            Order order1 = new Order();
            order1.ID = 1;
            orderList.Add(order1);
            ............
            return orderList;
        }
        //虚拟数据
        static IList<OrderItem> GetOrderItem()
        {
            IList<OrderItem> itemList = new List<OrderItem>();

            OrderItem orderItem1 = new OrderItem();
            orderItem1.ID = 1;
            orderItem1.Goods = "iPhone 4S";
            orderItem1.Price = 6700;
            orderItem1.Count = 2;
            orderItem1.OrderID = 1;
            itemList.Add(orderItem1);
            ...........
            return itemList;
        }

        //显示线程池现状
        static void ThreadPoolMessage(Order order)
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            string message = string.Format("OrderID:{0}  OrderPrice:{1}\n" +
                  "  CurrentThreadId is {2}\n  WorkerThreads is:{3}" +
                  "  CompletionPortThreads is:{4}\n",
                  order.ID, order.Price,
                  Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, a.ToString(), b.ToString());

            Console.WriteLine(message);
        }
    }

运行结果

7.2.2 任务并行

在TPL当中还可以使用Parallel.Invoke方法触发多个异步任务,其中 actions 中可以包含多个方法或者委托,parallelOptions用于配置Parallel类的操作。
public static void Invoke(Action[] actions )
public static void Invoke(ParallelOptions parallelOptions, Action[] actions )
下面例子中利用了Parallet.Invoke并行查询多个Person,actions当中可以绑定方法、lambda表达式或者委托,注意绑定方法时必须是返回值为void的无参数方法。

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //设置最大线程数
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            
            //任务并行
            Parallel.Invoke(option,
                PersonMessage, 
                ()=>ThreadPoolMessage(GetPersonList()[1]),  
                delegate(){
                    ThreadPoolMessage(GetPersonList()[2]);
                });
            Console.ReadKey();
        }

        static void PersonMessage()
        {
            ThreadPoolMessage(GetPersonList()[0]);
        }

        //显示线程池现状
        static void ThreadPoolMessage(Person person)
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            string message = string.Format("Person  ID:{0} Name:{1} Age:{2}\n" +
                  "  CurrentThreadId is {3}\n  WorkerThreads is:{4}" +
                  "  CompletionPortThreads is :{5}\n",
                  person.ID, person.Name, person.Age,
                  Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, a.ToString(), b.ToString());

            Console.WriteLine(message);
        }

        //模拟源数据
        static IList<Person> GetPersonList()
        {
            var personList = new List<Person>();

            var person1 = new Person();
            person1.ID = 1;
            person1.Name = "Leslie";
            person1.Age = 30;
            personList.Add(person1);
            ..........
            return personList;
        }
    }

运行结果

C#综合揭秘——细说多线程(下)

7.3 Task简介

以Thread创建的线程被默认为前台线程,当然你可以把线程IsBackground属性设置为true,但TPL为此提供了一个更简单的类Task。
Task存在于System.Threading.Tasks命名空间当中,它可以作为异步委托的简单替代品。
通过Task的Factory属性将返回TaskFactory类,以TaskFactory.StartNew(Action)方法可以创建一个新线程,所创建的线程默认为后台线程。

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            Task.Factory.StartNew(() => ThreadPoolMessage());
            Console.ReadKey();
        }

        //显示线程池现状
        static void ThreadPoolMessage()
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            string message = string.Format("CurrentThreadId is:{0}\n" +
                "CurrentThread IsBackground:{1}\n" +
                "WorkerThreads is:{2}\nCompletionPortThreads is:{3}\n",
                 Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
                 Thread.CurrentThread.IsBackground.ToString(),
                 a.ToString(), b.ToString());
            Console.WriteLine(message);
        }
    }

运行结果

C#综合揭秘——细说多线程(下)

若要取消处理,可以利用CancellationTakenSource对象,在TaskFactory中包含有方法
public Task StartNew( Action action, CancellationToken cancellationToken )
在方法中加入CancellationTakenSource对象的CancellationToken属性,可以控制任务的运行,调用CancellationTakenSource.Cancel时任务就会自动停止。下面以图片下载为例子介绍一下TaskFactory的使用。

服务器端页面

<html xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml">
<head runat="server">
    <title></title>
    <script type="text/C#" runat="server">
        private static List<string> url=new List<string>();

        protected void Page_Load(object sender, EventArgs e)
        {
            if (!Page.IsPostBack)
            {
                url.Clear();
                Application["Url"] = null;
            }
        }

        protected void CheckBox_CheckedChanged(object sender, EventArgs e)
        {
            CheckBox checkBox = (CheckBox)sender;
            if (checkBox.Checked)
                url.Add(checkBox.Text);
            else
                url.Remove(checkBox.Text);
            Application["Url"]= url;
        }
</script>
</head>
<body>
    <form id="form1" runat="server" >
    <div align="left">
       <div align="center" style="float: left;">
         <asp:Image ID="Image1" runat="server" ImageUrl="~/Images/A.jpg" /><br />
         <asp:CheckBox ID="CheckBox1" runat="server" AutoPostBack="True" 
               oncheckedchanged="CheckBox_CheckedChanged" Text="A.jpg" />
       </div>
       <div align="center" style="float: left">
          <asp:Image ID="Image2" runat="server" ImageUrl="~/Images/B.jpg" /><br />
          <asp:CheckBox ID="CheckBox2" runat="server" AutoPostBack="True" 
               oncheckedchanged="CheckBox_CheckedChanged" Text="B.jpg" />
       </div>
       <div align="center" style="float: left">
          <asp:Image ID="Image3" runat="server" ImageUrl="~/Images/C.jpg" /><br />
          <asp:CheckBox ID="CheckBox3" runat="server" AutoPostBack="True" 
               oncheckedchanged="CheckBox_CheckedChanged" Text="C.jpg" />
       </div>
       <div align="center" style="float: left">
          <asp:Image ID="Image4" runat="server" ImageUrl="~/Images/D.jpg" /><br />
          <asp:CheckBox ID="CheckBox4" runat="server" AutoPostBack="True" 
               oncheckedchanged="CheckBox_CheckedChanged" Text="D.jpg" />
       </div>
       <div align="center" style="float: left">
          <asp:Image ID="Image5" runat="server" ImageUrl="~/Images/E.jpg" /><br />
          <asp:CheckBox ID="CheckBox5" runat="server" AutoPostBack="True" 
               oncheckedchanged="CheckBox_CheckedChanged" Text="E.jpg" />
       </div>        
    </div>
    </form>
</body>
</html>

首先在服务器页面中显示多个*.jpg图片,每个图片都有对应的CheckBox检测其选择情况。
所选择图片的路径会记录在Application["Url"]当中传递到Handler.ashx当中。

注意:Application是一个全局变量,此处只是为了显示Task的使用方式,在ASP.NET开发应该慎用Application。

Handler.ashx 处理图片的下载,它从 Application["Url"] 当中获取所选择图片的路径,并把图片转化成byte[]二进制数据。
再把图片的数量,每副图片的二进制数据的长度记录在OutputStream的头部。
最后把图片的二进制数据记入 OutputStream 一并输出。

public class Handler : IHttpHandler 
{
    public void ProcessRequest(HttpContext context)
    {
        //获取图片名,把图片数量写OutputStream
        List<String> urlList = (List<string>)context.Application["Url"];
        context.Response.OutputStream.Write(BitConverter.GetBytes(urlList.Count), 0, 4);
        
        //把图片转换成二进制数据
        List<string> imageList = GetImages(urlList);
        
        //把每副图片长度写入OutputStream
        foreach (string image in imageList)
        {
            byte[] imageByte=Convert.FromBase64String(image);
            context.Response.OutputStream.Write(BitConverter.GetBytes(imageByte.Length),0,4);
        }
        
        //把图片写入OutputStream
        foreach (string image in imageList)
        {
            byte[] imageByte = Convert.FromBase64String(image);
            context.Response.OutputStream.Write(imageByte,0,imageByte.Length);
        }
    }

    //获取多个图片的二进制数据
    private List<string> GetImages(List<string> urlList)
    {
        List<string> imageList = new List<string>();
        foreach (string url in urlList)
            imageList.Add(GetImage(url));
        return imageList;
    }
    
    //获取单副图片的二进制数据
    private string GetImage(string url)
    {
        string path = "E:/My Projects/Example/WebSite/Images/"+url;
        FileStream stream = new FileStream(path, FileMode.Open, FileAccess.Read);
        byte[] imgBytes = new byte[10240];
        int imgLength = stream.Read(imgBytes, 0, 10240);       
        return Convert.ToBase64String(imgBytes,0,imgLength);
    }

    public bool IsReusable
    {
        get{ return false;}
    }
}

客户端

建立一个WinForm窗口,里面加入一个WebBrowser连接到服务器端的Default.aspx页面。
当按下Download按键时,系统就会利用TaskFactory.StartNew的方法建立异步线程,使用WebRequest方法向Handler.ashx发送请求。
接收到回传流时,就会根据头文件的内容判断图片的数量与每副图片的长度,把二进制数据转化为*.jpg文件保存。

C#综合揭秘——细说多线程(下)

系统利用TaskFactory.StartNew(action,cancellationToken) 方式异步调用GetImages方法进行图片下载。
当用户按下Cancel按钮时,异步任务就会停止。值得注意的是,在图片下载时调用了CancellationToken.ThrowIfCancellationRequested方法,目的在检查并行任务的运行情况,在并行任务被停止时释放出OperationCanceledException异常,确保用户按下Cancel按钮时,停止所有并行任务。

public partial class Form1 : Form
    {
        private CancellationTokenSource tokenSource = new CancellationTokenSource();
        
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
        }

        private void downloadToolStripMenuItem_Click(object sender, EventArgs e)
        {
             Task.Factory.StartNew(GetImages,tokenSource.Token);
        }

        private void cancelToolStripMenuItem_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            tokenSource.Cancel();
        }

        private void GetImages()
        {
            //发送请求,获取输出流
            WebRequest webRequest = HttpWebRequest.Create("Http://localhost:5800/Handler.ashx"); 
            Stream responseStream=webRequest.GetResponse().GetResponseStream();

            byte[] responseByte = new byte[81960];
            IAsyncResult result=responseStream.BeginRead(responseByte,0,81960,null,null);
            int responseLength = responseStream.EndRead(result);

            //获取图片数量
            int imageCount = BitConverter.ToInt32(responseByte, 0);
            
            //获取每副图片的长度
            int[] lengths = new int[imageCount];
            for (int n = 0; n < imageCount; n++)
            {
                int length = BitConverter.ToInt32(responseByte, (n + 1) * 4);
                lengths[n] = length;
            }
            try
            {
                //保存图片
                for (int n = 0; n < imageCount; n++)
                {
                    string path = string.Format("E:/My Projects/Example/Test/Images/pic{0}.jpg", n);
                    FileStream file = new FileStream(path, FileMode.Create, FileAccess.ReadWrite);

                    //计算字节偏移量
                    int offset = (imageCount + 1) * 4;
                    for (int a = 0; a < n; a++)
                        offset += lengths[a];

                    file.Write(responseByte, offset, lengths[n]);
                    file.Flush();

                    //模拟操作
                    Thread.Sleep(1000);

                    //检测CancellationToken变化
                    tokenSource.Token.ThrowIfCancellationRequested();
                }
            }
            catch (OperationCanceledException ex)
            {
                MessageBox.Show("Download cancel!");
            }
        }
    }

7.4 并行查询(PLINQ)

并行 LINQ (PLINQ) 是 LINQ 模式的并行实现,主要区别在于 PLINQ 尝试充分利用系统中的所有处理器。 它利用所有处理器的方法,把数据源分成片段,然后在多个处理器上对单独工作线程上的每个片段并行执行查询, 在许多情况下,并行执行意味着查询运行速度显著提高。但这并不说明所有PLINQ都会使用并行方式,当系统测试要并行查询会对系统性能造成损害时,那将自动化地使用同步执行。
在System.Linq.ParallelEnumerable类中,包含了并行查询的大部分方法。

C#综合揭秘——细说多线程(下)

7.4.1 AsParallel

通常想要实现并行查询,只需向数据源添加 AsParallel 查询操作即可。

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            var personList=GetPersonList().AsParallel() 
                   .Where(x=>x.Age>30);
            Console.ReadKey();
        }

        //模拟源数据
        static IList<Person> GetPersonList()
        {
            var personList = new List<Person>();

            var person1 = new Person();
            person1.ID = 1;
            person1.Name = "Leslie";
            person1.Age = 30;
            personList.Add(person1);
            ...........
            return personList;
        }
    }

7.4.2 AsOrdered

若要使查询结果必须保留源序列排序方式,可以使用AsOrdered方法。
AsOrdered依然使用并行方式,只是在查询过程加入额外信息,在并行结束后把查询结果再次进行排列。

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            var personList=GetPersonList().AsParallel().AsOrdered()
                .Where(x=>x.Age<30);
            Console.ReadKey();
        }

        static IList<Person> GetPersonList()
        {......}
    }

7.4.3 WithDegreeOfParallelism

默认情况下,PLINQ 使用主机上的所有处理器,这些处理器的数量最多可达 64 个。
通过使用 WithDegreeOfParallelism(Of TSource) 方法,可以指示 PLINQ 使用不多于指定数量的处理器。

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            var personList=GetPersonList().AsParallel().WithDegreeOfParallelism(2)
                .Where(x=>x.Age<30);
            Console.ReadKey();
        }

        static IList<Person> GetPersonList()
        {.........}
    }

7.4.4 ForAll

如果要对并行查询结果进行操作,一般会在for或foreach中执行,执行枚举操作时会使用同步方式。
有见及此,PLINQ中包含了ForAll方法,它可以使用并行方式对数据集进行操作。

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            GetPersonList().AsParallel().ForAll(person =>{
                ThreadPoolMessage(person);
            });
            Console.ReadKey();
        }

        static IList<Person> GetPersonList()
        {.......}

         //显示线程池现状
        static void ThreadPoolMessage(Person person)
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            string message = string.Format("Person  ID:{0} Name:{1} Age:{2}\n" +
                  "  CurrentThreadId is {3}\n  WorkerThreads is:{4}" +
                  "  CompletionPortThreads is :{5}\n",
                  person.ID, person.Name, person.Age,
                  Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, a.ToString(), b.ToString());
            Console.WriteLine(message);
        }
    }

运行结果

C#综合揭秘——细说多线程(下)

7.4.5 WithCancellation

如果需要停止查询,可以使用 WithCancellation(Of TSource) 运算符并提供 CancellationToken 实例作为参数。
与第三节Task的例子相似,如果标记上的 IsCancellationRequested 属性设置为 true,则 PLINQ 将会注意到它,并停止所有线程上的处理,然后引发 OperationCanceledException。这可以保证并行查询能够立即停止。

class Program
    {
        static CancellationTokenSource tokenSource = new CancellationTokenSource();

        static void Main(string[] args)
        {
            Task.Factory.StartNew(Cancel);
            try
            {
                GetPersonList().AsParallel().WithCancellation(tokenSource.Token)
                    .ForAll(person =>
                    {
                        ThreadPoolMessage(person);
                    });
            }
            catch (OperationCanceledException ex)
            { }
            Console.ReadKey();
        }

        //在10~50毫秒内发出停止信号
        static void Cancel()
        {
            Random random = new Random();
            Thread.Sleep(random.Next(10,50));
            tokenSource.Cancel();
        }

        static IList<Person> GetPersonList()
        {......}

        //显示线程池现状
        static void ThreadPoolMessage(Person person)
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            string message = string.Format("Person  ID:{0} Name:{1} Age:{2}\n" +
                  "  CurrentThreadId is {3}\n  WorkerThreads is:{4}" +
                  "  CompletionPortThreads is :{5}\n",
                  person.ID, person.Name, person.Age,
                  Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, a.ToString(), b.ToString());
            Console.WriteLine(message);
        }
    }

八、定时器与锁

8.1定时器

若要长期定时进行一些工作,比如像邮箱更新,实时收听信息等等,可以利用定时器Timer进行操作。
在System.Threading命名空间中存在Timer类与对应的TimerCallback委托,它可以在后台线程中执行一些长期的定时操作,使主线程不受干扰。
Timer类中最常用的构造函数为 public Timer( timerCallback , object , int , int )
timerCallback委托可以绑定执行方法,执行方法必须返回void,它可以是无参数方法,也可以带一个object参数的方法。
第二个参数是为 timerCallback 委托输入的参数对象。
第三个参数是开始执行前等待的时间。
第四个参数是每次执行之间的等待时间。

开发实例

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);

            TimerCallback callback = new TimerCallback(ThreadPoolMessage);
            Timer t = new Timer(callback,"Hello Jack! ", 0, 1000);
            Console.ReadKey();
        }

        //显示线程池现状
        static void ThreadPoolMessage(object data)
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            string message = string.Format("{0}\n   CurrentThreadId is:{1}\n" +
                "   CurrentThread IsBackground:{2}\n" +
                "   WorkerThreads is:{3}\n   CompletionPortThreads is:{4}\n",
                 data + "Time now is " + DateTime.Now.ToLongTimeString(),
                 Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
                 Thread.CurrentThread.IsBackground.ToString(),
                 a.ToString(), b.ToString());
            Console.WriteLine(message);
        }
    }

注意观察运行结果,每次调用Timer绑定的方法时不一定是使用同一线程,但线程都会是来自工作者线程的后台线程。

C#综合揭秘——细说多线程(下)

8.2 锁

在使用多线程开发时,存在一定的共用数据,为了避免多线程同时操作同一数据,.NET提供了lock、Monitor、Interlocked等多个锁定数据的方式。

8.2.1 lock

lock的使用比较简单,如果需要锁定某个对象时,可以直接使用lock(this)的方式。

private void Method()
{
      lock(this)
      {
          //在此进行的操作能保证在同一时间内只有一个线程对此对象操作
      }
}

如果操作只锁定某段代码,可以事先建立一个object对象,并对此对象进行操作锁定,这也是.net提倡的锁定用法。

class Control
{
      private object obj=new object();
      
      public void Method()
      {
            lock(obj)
            {.......}
      }
}

8.2.2 Montior

Montior存在于System.Thread命名空间内,相比lock,Montior使用更灵活。
它存在 Enter, Exit 两个方法,它可以对对象进行锁定与解锁,比lock使用更灵活。

class Control
{
      private object obj=new object();
 
      public void Method()
      {
            Monitor.Enter(obj);
            try
            {......}
            catch(Excetion ex)
            {......}
            finally
            {
                Monitor.Exit(obj);
            }
      }
}

使用try的方式,能确保程序不会因死锁而释放出异常!
而且在finally中释放obj对象能够确保无论是否出现死锁状态,系统都会释放obj对象。
而且Monitor中还存在Wait方法可以让线程等待一段时间,然后在完成时使用Pulse、PulseAll等方法通知等待线程。

8.2.3 Interlocked

Interlocked存在于System.Thread命名空间内,它的操作比Monitor使用更简单。
它存在CompareExchange、Decrement、Exchange、Increment等常用方法让参数在安全的情况进行数据交换。

Increment、Decrement 可以使参数安全地加1或减1并返回递增后的新值。

class Example
{
      private int a=1;

      public void AddOne()
      {
             int newA=Interlocked.Increment(ref a);
      }
}

xchange可以安全地变量赋值。

 public void SetData()
 {
       Interlocked.Exchange(ref a,100);
 }

CompareExchange使用特别方便,它相当于if的用法,当a等于1时,则把100赋值给a。

 public void CompareAndExchange() {
     Interlocked.CompareExchange(ref a,100,1);
 }


结束语

熟悉掌握多线程开发,对提高系统工作效率非常有帮助,尤其是回调方法与最近火热的并行编程更应该引起各位的重视。
在下用了较长的时间总结所用过的多线程开发方式,希望本篇文章能对各位的学习研究有所帮助,当中有所错漏的地方敬请点评

相关标签: c# 多线程